מצברי גרפן וסוללות: היסטוריה של המצאות, סיכויי יישום וייצור עשה זאת בעצמך

אפילו אדם המחובר חלש לטכנולוגיה יודע שכל מערכת אוטונומית המשתמשת בחשמל לא יכולה להסתדר בלי מקורות חשמל עצמאיים. בין אם מדובר באמצעי תקשורת סלולרי ובין אם מדובר בכלי רכב, על כולם להיות מצוידים בסוללות או מצברים שהחסרון בהם הוא בקיבולת קטנה וחיי שירות קצרים. עם הופעת סוללות הגרפן, החיסרון הזה יבוטל.

היסטוריית גילוי

מדענים חיפשו חומרים חדשים לצבירת אנרגיה חשמלית במשך זמן רב. רכיבי הסוללות והמצברים ששימשו עד כה לא עמדו בדרישות מודרניות להנדסת חשמל. זה היה נכון במיוחד לגבי סוללות ומצברים, שהמאפיינים הטכניים הגרועים שלהם הפריעו לפתחם של כלי רכב חדשים חסכוניים וידידותיים לסביבה.

המחקר הוכתר בהצלחה בשנת 2004, כאשר שני מדענים בריטים, מהגרים מרוסיה, קונסטנטין נובוסיולוב ואנדריי גיים, קיבלו במעבדה חומר חדש בעל התכונות הרצויות על בסיס פחמן - גרפן. על יצירת סרט פחמן בעובי אטום אחד על מצע תחמוצת סיליקון עם מאפייני אחסון גבוהים, קיבלו המדענים את פרס נובל ב-2010.

פיתוח זה נחשב למבטיח ביותר בתחום טכנולוגיות אגירת האנרגיה, אם כי מבחינה טכנית הוא טרם זכה לשימוש נרחב.

מבנה הגרפן

גרפן הוא סוג של גרפיט - חומר המורכב מאטומי פחמן. גביש גרפיט מורכב משכבות הדומות לגליונות נייר מקופלים בערימה. האינטראקציה האטומית בין השכבות חלשה יותר מאשר באמצע, וזו הסיבה שהגרפיט כל כך מתאים כמוט עיפרון.

תכונה זו אפשרה לפצל אותו לשכבות נפרדות ולקבל חומר חדש בשם "גרפן", בעל תכונות זהות לגרפיט, אך חזק פי כמה. תוצאה זו מהווה פריצת דרך לפיתוח האלקטרוניקה, כמו גם לייצור סוללות ומצברים, מכיוון שלגרפיט טבעי מוליכות תרמית וחשמלית מצוינת. זה יאפשר להחליף חומרים יקרים המשמשים כיום בייצור בגרפן, שכן גרפיט מצוי בשפע בטבע.

לגרפן מבנה גבישי פשוט ביותר שמפחית את ההתנגדות לזרימת אלקטרונים, כך שהוא יכול לצבור מטען הרבה יותר מהר מאשר גבישים בתפזורת. והמטען הזה הרבה יותר חזק. מאפיינים אלו יאפשרו ליצור ממנו סוללות ומצברים בעלי מאפיינים טכניים טובים בהרבה מאלה הנמצאים בשימוש כיום.

סידור סוללות ומצברים

עקרון הפעולה והמבנה של סוללות גרפן זהים לאלו של סוללות אחסון קונבנציונליות המותקנות על מכוניות עם מנועי בעירה פנימית. ההבדל הוא בתהליכים האלקטרוכימיים המתרחשים בתוך המכשיר. הם דומים ביותר לתגובה בסוללת ליתיום פולימר.

ישנם כעת שני כיווני טכנולוגיה מתחרים לייצור סוללות גרפן. הם פותחו בארה"ב וברוסיה:

• במודל האמריקאי, מקורות התגובה הכימית מורכבים מליתיום קובלטאט וקתודה של לוחות סיליקון וגרפן מתחלפים;
• בגרסה השנייה - הרוסית - נוצרה סוללת מגנזיום-גרפן, שבה הוחלף מלח הליתיום המשמש כאנודה בתחמוצת מגנזיום, שהיא זולה יותר ופחות רעילה.

בשני המקרים חלה עלייה בקצב המעבר של יונים בין האלקטרודות והקיבול סוללות, כי לגרפן יש חדירות חשמלית גבוהה ונטייה להצטבר מטען חשמלי. רק ההערכות לגבי הקיבולת האפשרית שונות. מומחים אמריקאים מאמינים שהוא יגדל בהשוואה לסוללות ליתיום-יון פי עשרה, והרוסים - עד פי שניים וחצי.

יתרונות ואתגרים

סוללות עם גבישי גרפיט שטוחים המשמשים בהן טומנות בחובן הבטחה רבה. הם שונים:

• פחות משקל;
• מוליכות גבוהה;
• חוזק רב ועמידות למים;
• ניקיון אקולוגי;
• קיבולת ספציפית מוגברת;
• היכולת להתאים את איכויותיהם על ידי שילוב עם חומרים אחרים;
• הסרה קלה של נזק;
• מחיר נמוך של חומרי גלם.

הבעיה העיקרית של סוללות גרפן כיום היא הגודל שלהן. מסתבר שהם גדולים מדי להתקנה במכשירים ניידים. בעיה זו עדיין לא נפתרה.

בניגוד לגאדג'טים, בתעשיית הרכב, לגרפן יש סיכויים מצוינים עַכשָׁיו. התקנת סוללות גרפן על מכונית חשמלית משלשת את הקילומטראז' שלה בין שתי טעינות, עד 1000 ק"מ. הטעינה אורכת לכל היותר 10 דקות. לצייד את תחנת הדלק הזו בתחנות תדלוק זו לא בעיה.

התפתחויות אחרות

בנוסף לרוסיה וארצות הברית, העבודה על שיפור סוללות גרפן מתבצעת באופן פעיל במדינות אחרות.

מדענים באוסטרליה גילו דרך לשמור על לוחות גרפן במצב יציב. אחרי הכל, חוסר היציבות שלהם, הרצון לחזור למצב התלת מימדי הגלום בגרפיט רגיל, הייתה אחת הבעיות העיקריות של החומר הזה. כדי למנוע זאת, הניחו המדענים את לוחות הגרפן בג'ל מים כדי למנוע מהם להיצמד זה לזה. בנוסף, סוללה בעיצוב זה ניתנת לטעינה תוך שניות. עלות הג'ל נמוכה, מכיוון שהוא מורכב רק ממים ופחמן.

טכנולוגיות חדשות מופיעות כמעט בכל שנה בעולםהמאפשרים שימוש רציונלי יותר במשאבי טבע מתכלים. אלה כוללים את המצאת הגרפן, שבעתיד הקרוב עשוי לגרום לשינויים מהפכניים ב מערכת הובלה בשל תכונותיה הייחודיות בנפח גדול לצבירה ואחסון חשמל אֵנֶרְגִיָה. סביר להניח שכל אחד יוכל לייצר סוללת גרפן במו ידיו באמצעות מדפסת תלת מימד.